JPH11231910A - ロボットシステム及び制御方法、記録媒体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来のマイクロロボット制御では、複雑な作
業や定型作業であっても、数多くの作業に対応すること
は、限られたセンサ数や通信能力、限定されたコンピュ
ータ処理能力などにより対応できない場合が多かった。 【解決手段】 ローカル基地は、オペレータからの指令
値に基づき、環境条件等（温度、湿度など）タスクの完
了に必要な条件を取り込み、この情報に基づきマイクロ
ロボットの行動計画を生成する。複数のマイクロロボッ
トが制御対象の場合、分散かつ協調的な制御則が生成さ
れる。マイクロロボットの制御は機能構成ごとに分割さ
れた処理系で処理されるのでマイクロロボット側に送ら
れるデータ通信量、タスク実行のためにマイクロロボッ
ト側で行われる演算量は最小限のものとなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、遠隔利用や複数の
ロボットを制御するロボットシステムおよび制御方法、
記録媒体に関する。

【０００２】

【従来の技術】マイクロマシンと呼ばれる技術・製品分
野は、メカトロニクスをシリコンチップ上に作り込むま
でに進歩した微小加工技術や、周辺部品の小型化によ
り、急速に拡大・進展しつつある。特にμｍオーダーの
運搬構造は新医療法を求めるニーズに後押しされて、研
究開発が盛んである。

【０００３】また、高齢化、少子化、核家族化、農業人
口の減少、理系バナレ現象などに代表される、社会環境
の変化に基づき、先進諸国には産業界だけでなく、家庭
利用にまでロボット化の潮流が加速しつつある。

【０００４】更に、人口爆発、砂漠化、農産物不足、エ
ネルギー供給体制、環境問題、政情不安等により、発展
途上国の社会問題に根ざす単純技能の合理化も求められ
ている。

【０００５】このような社会構造変化の中で、注目され
ている分野は数ｃｍ〜１００μｍ程度の、加工・組立て
プロセスにより作り上げられたマイクロロボットであ
る。これはマイクロマシンの中でもやや大型の部類に属
する。

【０００６】マイクロロボットの定義は確定していない
が、特開平７−１６８６２２（セイコーエプソン株式会
社）などに見られるように、メカトロニクス技術により
製作されたある程度の知能、作業機能、自走機能を持つ
数ｃｍ程度のロボットというのが当業者の現状認識であ
る。

【０００７】ただし、マシニング技術等の向上と、生物
産業の進歩により近い将来、同様のものがμｍ程度にな
り、生物機能と合体していくだろう事も当業者の一致し
た予想でもある。

【０００８】マイクロロボットの更なる技術トレンドと
して集団制御が上げられる。マイクロロボットは、知
能、運搬能力、速度、作業精度等ほとんどの性能分野
で、人間や通常の産業用ロボットより劣る。メリットは
小型であること自体のスケールメリットと、小型である
ことに基づく、単位長、単位面積当たりの軽重量性、安
全性、価格などである。この欠点を補い、長所を生かす
ため、多数のマイクロロボットを集団で利用し協調作業
を行わせ、重量物の運送や、ディスプレイ動作、清掃な
どの仕事をさせる試みが行われている。

【０００９】図４は実現されているマイクロロボットの
制御法の１例である。センサにより入力されてた光量に
より、明暗差を検出し設定された行程を移動するもので
ある。

【００１０】同図において、４１は光強度を感じ取るセ
ンサ、４２はマイクロロボット本体、４３は光源、４４
は同図４３により照射された光スポットである。

【００１１】このように従来は、マイクロロボット本体
の限られた処理能力と、あらかじめオペレータにより設
定された補助手段により、自走型マイクロロボットは制
御されてきた。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】従って、前記のような
従来のマイクロロボット制御法では、複雑な作業、定型
作業であっても数多くの作業に対応することは甚だ困難
であった。

【００１３】特に、発明者は、以下のような複雑で難易
度の高い作業を行わせるため、マイクロロボット本体を
開発しているが、従来の単純な制御法をマイクロロボッ
トに適用することは不可能であり、支障を来してきた。
従来の制御法とは、オペレータの指示(目標値）と状態
フィードバック量とが１対１に対応した閉ループからな
る制御方法をいう。

【００１４】このような制御方法では、例えば遠隔地で
ロボットに作業を実行させる場合や、外部環境で作業を
行なわせる場合は当然オペレータの空間とマイクロロボ
ットの作業空間とが物理的に異なることになる。オペレ
ータから与えることのできない情報（気象情報、局地的
な温度情報等）の収集とその情報を制御則に反映させる
ことが必要となる。

【００１５】しかしながら、これらの処理には、複数の
外部条件を制御則に取込む必要があるためにコントロー
ラ（コンピュータ）の処理能力、通信能力の制限から対
応できない場合が多かった。さらに、複数のマイクロロ
ボットを独立に制御するためには、必要となる演算量、
通信量は重畳する。

【００１６】（１）害虫駆除、除草、農薬散布、肥料散
布、水散布、日照確保、鳥害対策、耕運作業、保温作
業、刈り取り作業、病害虫認識などの農作業。

【００１７】（２）リモートセンシング、月面・惑星面
探査、人工衛星の修理、宇宙ゴミ清掃などの宇宙利用。

【００１８】（３）太陽エネルギー収集、海洋ウラン回
収、太陽電池清掃、原子力発電所清掃などのエネルギー
応用。

【００１９】（４）地下資源探査、建造物耐久検査、人
間追跡、海洋モニタ、侵入監視、警察捜査活動などの探
査活動利用。

【００２０】（５）トイレ・風呂掃除、配管掃除、害虫
退治、窓掃除などの家庭内清掃。

【００２１】（６）ゴミ処理、部品再生処理、危険物処
理、窒素固定などの対環境処理。

【００２２】（７）危険物点検、部分塗装、微小品運
搬、雨漏り対策、照明機能、鍵機能などの、建設・建築
補助。

【００２３】（８）簡易部品組み付け、流通管理、協調
輸送などの、工場・物流補助。

【００２４】（９）検便採尿診断や病人向け糞尿処理な
どの医事業務。

【００２５】（１０）日曜園芸、ペット管理、釣りエサ
利用、工作補助、楽器演奏、自動車清掃、絵画教育など
の、趣味的応用。

【００２６】（１１）人命救助、警ら業務、荷物見張り
などの安全監視業務等

【課題を解決するための手段】上記課題に鑑み本出願に
かかる目的は、マイクロロボットシステムが多くの情報
を入手可能とし、適切な行動を決定するためのシステム
および情報源を与えることである。上記目的を達成する
べく、本発明は以下の構成よりなる。

【００２７】すなわち、オペレータからの指示に基づ
き、ロボットを制御するためのロボットシステムは、前
記オペレータからの指示を受信するための第１の受信手
段と、外部情報を受信するための第２の受信手段と、前
記ロボットの状態量を受信する第３の受信手段と、前記
第１の受信手段で受信したデータを目標値とし、前記第
２および第３の受信手段で受信したデータを第１の状態
フィードバック量として、前記ロボットへの行動計画指
令を生成するための第１のコントロール手段と、前記第
１のコントロール手段で生成された前記行動計画指令に
基づき、前記ロボットを駆動するための駆動指令を生成
する第２のコントロール手段と、前記ロボットの状態量
をセンシングするためのセンシング手段と、前記センシ
ング手段でセンシングされた状態量と、前記第２のコン
トロール手段から指示された駆動指令値とを比較して前
記行動計画指令の達成度を判定する判定手段と、を備
え、前記判定の結果に従い前記第１のコントロール手段
及び第２のコントロール手段の指令値をそれぞれ分散し
てコントロールする。

【００２８】また、前記第１のコントロール手段は、複
数のロボットを独立に複数制御可能とする。

【００２９】また、前記第２のコントロール手段は、前
記第１のコントロール手段で生成された行動計画指令を
目標値とし、前記センシング手段によりセンシングされ
た状態量を第２の状態フィードバック量として、前記ロ
ボットを駆動制御する。

【００３０】また、オペレータからの指示に基づき、ロ
ボットを制御するためのロボットの制御方法は、前記オ
ペレータからの指示を受信するための第１の受信工程
と、外部情報を受信するための第２の受信工程と、前記
ロボットの状態量を受信する第３の受信工程と、前記第
１の受信工程で受信したデータを目標値とし、前記第２
および第３の受信工程で受信したデータを第１の状態フ
ィードバック量として、前記ロボットへの行動計画指令
を生成するための第１のコントロール工程と、前記第１
のコントロール工程で生成された前記行動計画指令に基
づき、前記ロボットを駆動するための駆動指令を生成す
る第２のコントロール工程と、前記ロボットの状態量を
センシングするためのセンシング工程と、前記センシン
グ工程でセンシングされた状態量と、前記第２のコント
ロール工程から指示された駆動指令値とを比較して前記
行動計画指令の達成度を判定する判定工程と、を備え、
前記判定の結果に従い前記第１のコントロール工程及び
第２のコントロール工程の指令値をそれぞれ分散してコ
ントロールする。

【００３１】また、前記第１のコントロール工程は、複
数のロボットを独立に複数制御可能とする。

【００３２】また、前記第２のコントロール工程は、前
記第１のコントロール工程で生成された行動計画指令を
目標値とし、前記センシング工程によりセンシングされ
た状態量を第２の状態フィードバック量として、前記ロ
ボットを駆動制御する。

【００３３】また、オペレータからの指示を受信するた
めの第１の受信手段と、外部情報を受信するための第２
の受信手段と、ロボットの状態量を受信する第３の受信
手段と、前記第１の受信手段で受信したデータを目標値
とし、前記第２および第３の受信手段で受信したデータ
を第１の状態フィードバック量として、前記ロボットへ
の行動計画指令を生成するための第１のコントロール手
段と、前記第１のコントロール手段で生成された前記行
動計画指令に基づき、前記ロボットを駆動するための駆
動指令を生成する第２のコントロール手段と、前記ロボ
ットの状態量をセンシングするためのセンシング手段
と、前記センシング手段でセンシングされた状態量と、
前記第２のコントロール手段から指示された駆動指令値
とを比較して前記行動計画指令の達成度を判定する判定
手段と、を備え、前記判定の結果に従い前記第１のコン
トロール手段及び第２のコントロール手段の指令値をそ
れぞれ分散してコントロールすることをコンピュータに
機能させるためのプログラムを記録したコンピュータ読
取り可能な記録媒体を有する。

【００３４】また、前記第１のコントロール手段は、前
記オペレータからの指示を受信するための第１の受信手
段と、外部情報を受信するための第２の受信手段と、前
記ロボットの状態量を受信する第３の受信手段と、前記
第１の受信手段で受信したデータを目標値とし、前記第
２および第３の受信手段で受信したデータを第１の状態
フィードバック量として、前記ロボットへの指令を生成
する第１のコントロールアルゴリズム生成手段と、前記
生成された指令に基づき基本動作の実行を司る第１の基
本動作手段と、前記オペレータからの指示の遂行動作を
司る第１のミッション動作手段と、前記基本動作及びミ
ッション動作をサーボ制御するための動力学制御手段
と、前記オペレータからの命令の遂行を管理する第１の
タスク管理手段とを備える。

【００３５】また、前記第１のコントロール手段は、更
に幾何学的な座標変換に基づき前記ロボットの位置情報
を算出可能とする第１のキネマティック座標変換手段を
備える。

【００３６】また、前記第１のコントロール手段は、更
に、前記ロボットが特定の軌道上で前記命令遂行動作を
実行する場合は、前記特定の軌道を計算するための第１
の軌道計算手段を備える。

【００３７】また、前記第１のコントロール手段は、制
御対象であるロボットが複数の場合、相互に協調的な動
作を可能とする協調制御手段を備える。

【００３８】また、前記第２のコントロール手段は、前
記第１のコントロール手段との間で相互にデータ授受を
行うインタフェース手段と、前記第１のコントロール手
段からの命令の遂行を管理する第２のタスク管理手段
と、前記タスク管理手段からの情報に基づき、前記命令
を遂行するための制御データを生成する第２のコントロ
ールアルゴリズム生成手段と、前記生成された制御則に
基づき基本動作を行う第２の基本動作手段と、前記命令
遂行動作を行う第２のミッション動作手段と、前記基本
動作及びミッション動作をサーボ制御するためのサーボ
制御手段とを備える。

【００３９】また、前記第２のコントロール手段は、更
に幾何学的な座標変換に基づき自己の位置情報を算出可
能とする第２のキネマティック座標変換手段を備える。

【００４０】また、前記第２のコントロール手段は、更
に、特定の軌道上で前記命令遂行動作を実行する場合
は、前記特定の軌道を計算するための第２の軌道計算手
段を備える。

【００４１】

【発明の実施形態】実施形態の説明に先立ち、本システ
ムの制御対象である単体のマイクロロボットについて説
明する。図３はマイクロロボットの一例で、水田作業用
のものであるが、本提案の応用は、農作業に限定される
ものではない。また、マイクロロボットをモチーフとし
て、実施形態を説明しているが、本発明の適用はマイク
ロロボットに限定しないことはいうまでもない。

【００４２】同図において、３１はセンサ機能である音
響位置センサ、３２は通信機能を司るアンテナ、３３は
農作業等を行う農作業機能部、３４はエネルギ源である
太陽電池、３５は駆動機構である外輪ベルト、３６は処
理機能を内在する本体である。

【００４３】本マイクロロボットは、アンテナ３２で受
けた活動指示情報を音響位置センサ３１を利用して設定
位置まで移動し、機能部３３で水質浄化や肥料散布など
の具体的農作業を行う。このようなマイクロロボット
は、単体では作業能力や安定性などが限られるため、複
数で作業することが多い。

【００４４】アンテナ３２により、ローカル基地４から
の情報である行動計画を受信し、マイクロロボットの状
態量をローカル基地４に送信する。

【００４５】＜マイクロロボットのコントロール＞さ
て、図１は本出願を最も良く表す例で、同図において、
１〜３は制御すべきマイクロロボット、４はマイクロロ
ボットを直接制御するローカル基地、５は情報源の１つ
である通信衛星、６はオペレータの所在地でマイクロロ
ボットの作業空間とは遠隔の地にある、７は有線または
無線利用の通信回線、８、９、１０は局所的位置測定装
置、１１は気象観測装置であるところの自動百葉箱、１
２は全体をモニタし、イネの位置座標を測定する画像処
理装置、１３は作業現場である水田である。マイクロロ
ボット１〜３の待機時は、ローカル基地４内に収納され
ているが、各情報源の情報を処理した結果、ローカル基
地４が必要と判断した場合には、ローカル基地４外の水
田１３に放出され所定の作業を行う。以下その情報の扱
いについて説明する。

【００４６】従来のロボットに関するタスク制御は図５
（ａ）に示すように、オペレータからの指示に対するセ
ンサフィードバックが１対１に対応しており、オペレー
タはその状態を常に監視しなければならず、随時操作系
を介してタスク完了に向けて制御に介入しなければなら
ない。

【００４７】本出願にかかるマイクロロボットの制御で
は（図５（ｂ））、オペレータが作業に加わる場面は、
必要最小限のものとなる。すなわち、センサ５０１情報
のフィードバックに基づきロボットコンピュータ５０８
は制御量を算出してアクチュエータ５０３に指令値を出
力する。オペレータ５０４が操作系５０５を介して入力
した目標値（マイクロロボットに与えられるミッショ
ン。以下「タスク」という。）に対して、センサは位置
情報、速度情報等の状態量をフィードバックする。セン
サ５０１、ロボットコンピュータ５０８、アクチュエー
タ５０３の間では、最終的にタスクを完了するために、
マイクロロボットの自律的な制御が行われる。

【００４８】基地コンピュータ５０６はオペレータから
の指示を目標値として受信し、その他外部情報５０７、
ロボットコンピュータ５０８からそれぞれ受信するデー
タを状態フィードバック量として受信し、制御指令値を
生成してマイクロロボット５０８に出力する。

【００４９】従って、オペレータ５０４は逐一、操作系
５０５から指示を与える必要がなく、タスク完了に向け
た制御に対して必要最小限の指示を与えればよいことに
なる。

【００５０】例えば、位置制御における位置情報、速度
制御での速度情報と、目標値との差がいわゆる偏差とな
りタスクの達成度は評価される。

【００５１】図１の説明に戻り、作業には、日々定形作
業のものと、オペレータ６から指示されて行う非日常作
業のものとがある。作業の区分は作物にもよるが、たと
えば水質浄化などは前者に属し、肥料散布などは後者に
成る場合が多い。定形作業は、農作業の場合、天候に依
存する場合が多い。これをマイクロロボット（１、２、
３）自体が判断することは処理の規模から難易度が高い
ため、ローカル基地１１の基地コンピュータ（図５
（ｂ））の５０６）が判断する。その情報源としては、
オペレータや、マイクロマシンシステムを開発した製造
元が外部情報として（５０７）基地コンピュータ５０６
に与えられる。通信衛星５を利用して、ローカル基地４
に伝達することが可能である。

【００５２】従って、マイクロロボット（１、２、３）
が受信する情報には、ロボット本体でセンシング（５０
１）する直接的な情報と、基地コンピュータ５０６から
送られてくる制御指令に間接的に内包される外部情報の
２種類からなる。

【００５３】＜タスクの実行制御＞図５（ａ）で示し
た、従前のコントロールシステムでは、オペレータが計
算機から情報を受け、計算機に対して、マクロなコマン
ドを与える。この際、高度な制御や判断は人間が行い、
計算機はそれを補佐する。

【００５４】これに対して、本出願にかかるマイクロロ
ボットシステムにおけるコントロールでは、主として計
算機プログラムがトップレベルの制御を行い（基地コン
ピュータ５０６、ロボットコンピュータ５０８）、人間
はそれを補佐する方式をとる。すなわち、自律ロボット
システムに人間の援助が導入されたシステムとなる。

【００５５】図６に、オペレータとロボットの作業分担
を示す。白抜きの部分はオペレータによる情報処理を示
し、斜線部はロボットによる情報処理を示す。図６
（ａ）は従前のロボットシステムの関係を示すもので、
作業前のモデリング、プログラミングおよびティーチン
グ、さらに異常があった場合のプログラミング変更や再
ティーチングは全てオペレータによって行われる。

【００５６】図６（ｂ）は、本出願にかかるマイクロロ
ボットの場合を示したもので、命令と状況判断に関する
最小限の指示を与えることで、マイクロロボットのオペ
レーションが可能になる。

【００５７】＜マイクロロボットのオペレーション＞マ
イクロロボットのオペレーションを図１、図５及び図７
を用いて説明する。オペレータ６（図１）はオペレータ
所在地の図示されていないコンピュータ端末または電話
音声により、ローカル基地４へ当日の非定形作業、たと
えば肥料散布を指示する。ローカル基地４の基地コンピ
ュータ５０６（図５（ｂ））はこの命令を理解し（Ｓ７
０１：図７）、マイクロロボットのタスク設定を肥料散
布作業とする。ローカル基地４の基地コンピュータ５０
６（図５（ｂ））は行動計画を生成し（Ｓ７０２）、こ
の行動計画に従い、ロボットコンピュータ５０８はマイ
クロロボット（１、２、３）を駆動する。

【００５８】ここで、マイクロロボット（１、２、３）
は、基地コンピュータ５０６により生成された行動計画
に従い行動する（Ｓ７０３）。本実施形態のような農業
用マイクロロボットの場合は、気象情報（例えば、温
度、湿度、天候の識別、風雨等）は外乱となり環境因子
として認識され、外部情報としてロボット制御にフィー
ドバックされる（Ｓ７０７、５０７：図５）。

【００５９】気象情報等の入力はローカル基地４に内蔵
された、有線または無線の通信回線を通じて天気予報を
音声認識させたり、通信回線利用のネットワークを介し
た天気予報情報を利用して判断することが可能である。
また、ローカル基地４近傍に置かれた、自動百葉箱１１
からの日照情報などの気象データから、局地的な情報入
力を行う事も可能である。

【００６０】マイクロロボット（１、２、３）が行なう作
業において、経時変化や突発的変化に起因する現象があ
る。たとえばイネの成長や、鳥・害虫の侵入である。こ
のような情報は画像処理装置１２が用いられる。また、
マイクロロボットが行なう作業には、作業空間内での位
置を正確に認識する必要があるので、基地コンピュータ
５０６はマイクロロボット（１、２、３）からの発信情報
を受けて、衛星５によるＧＰＳ測定、局所的位置測定装
置８、９、１０を用いて正確な位置認識を算出すること
が可能である。

【００６１】マイクロロボット（１、２、３）が行動を起
すと、環境との位置関係などの変化が生じる。この変化
にうまく対処するためにマイクロロボットには外部環境
のモデル化を行ない、局所的な座標系生成して行動する
機能を備える。これを司るのがロボットコンピュータ５
０８である。ロボットコンピュータ５０８の演算によ
り、行動計画により既に決定されている動作を演算子の
形で操作させることによって、次に生じるモデルの変
化、すなわち次に発生する状況を予め予測することがで
きる。実際に行動を行なった場合に、その結果として生
じた状況と予測された状況との比較を行い、差異を検出
する。

【００６２】この差異は、現状と目標とした値との誤差
を与えるものであり、その誤差が何によって生じたの
か、誤差の大きさは許容できる範囲なのか否かを評価す
る（Ｓ７０４）。

【００６３】さらに、現状と最終目標との差異を認識評
価し、目標達成度の判定を行なう機能をロボットコンピ
ュータ５０８に与えることにより、現状までの目標達成
度が満足すべきものでないとすれば（Ｓ７０５−Ｎ
ｏ）、それを解決するために現在までの行動結果得られ
た環境情報や、自己の状態量（例えば、位置、速度、加
速度）を活用して再度行動の立て直しを行なう。行動の
立て直しは位置偏差、速度偏差等の状態パラメータをフ
ィードバックにより補償するもので、演算量の負荷は比
較的軽いので個々のマイクロロボットにおけるロボット
コンピュータ５０８で処理を行なう。

【００６４】この他、場合によっては計画された行動に
要した時間や使用されたエネルギなどの測定評価を行な
うモニタ機能を与えることによって、デッドロック、あ
るいはループ状態に陥った場合に、いつまでもそこにと
どまることなく、そこから抜け出し実際行動に擾乱を加
えることで緊急退避が必要となるが、個別具体的な判断
も同様にロボットコンピュータ５０８で処理する。

【００６５】目標達成度の判定で、現在までの行動結果
で得られた成果が十分初期の目標を満足するものと判定
されたならば（Ｓ７０５−Ｙｅｓ）、その結果はロボッ
トコンピュータ５０８から地上の基地コンピュータ５０
６に転送される（Ｓ７０６）。この結果、基地側で微調
整が必要と判断すると（Ｓ７０７−Ｎｏ）再度命令を出
し、作業完了と判断した場合は（Ｓ７０７−Ｙｅｓ）、
オペレータにタスクの完了を報告する。オペレータは完
了状態をモニタし、不十分と判断した場合は（Ｓ７０８
−Ｎｏ）、再度指示が出される。また、オペレータがタ
スク完了を承認した場合は終了となる（Ｓ７０８−Ｙｅ
ｓ）。

【００６６】「マイクロロボットのオペレーション」の
説明は主にマイクロロボット単体について説明している
が、複数のマイクロロボット（図１で示す１、２、３）
を使用した場合、基地コンピュータ５０６はそれぞれの
マイクロロボットの分散協調制御を行なう。

【００６７】「分散制御」とは、それぞれのマイクロロ
ボットが独自のタスク命令を受けて独自のミッションを
遂行するために施される制御をいい、「協調制御」とは
マイクロロボット間の干渉を排除し、かつシステム全体
として共通の目的を達成するために相補的なミッション
を遂行するために施される制御をいう。

【００６８】この内容を定性的に示すと図８のようにな
る。８０１は地上基地を示し、ここから３台のマイクロ
ロボットが水田に向けて飛翔する。水田は３つのワーク
エリアから構成され、それぞれ作物の違いから異なる飛
行パターンが必要となる。ワークエリア１では「８の
字」、ワークエリア２では「横方向に往復」、ワークエ
リア３では「縦方向に往復」という飛行パターンが要求
される場合は、３台のマイクロロボットに対して、個別
独立のオペレーションを行なう（分散制御）。

【００６９】また、ワークエリア１を担当するマイクロ
ロボットが故障により基地８０１に帰還した場合、ワー
クエリア１の作業完了のために、ワークエリア２、３を
担当しているマイクロロボットをワークエリア１に仕向
け２台のマイクロロボットでワークエリア１の作業を行
なうオペレーションを行なう（協調制御）。

【００７０】＜ロボットの構成＞分散協調制御のために
マイクロロボットの機能構成を機能単位に分割する（図
９）。分散の単位を単なる分散化では情報交換のための
通信量が増え収集がつかなくなるので、機能毎に分散す
ることで情報の通信量を最小限にする（図９）。

【００７１】破線部９５０はロボットコントローラを示
す。ロボットコントローラ９５０は本発明において、第
２のコントロール手段として機能する。命令の処理、基
地コンピュータ５０６（図５（ｂ））との通信管理は
「タスク管理手段９０１」（第２のタスク管理手段）に
よる。基地コンピュータ５０６（第３のインタフェイス
手段１０１５：図１０）とのデータ授受はインタフェー
ス手段９１２を介する。飛翔等の基本的な動作を行なう
ための「基本動作手段９０２」（第２の基本動作手
段）、農薬の噴霧等のマイクロロボットが実行するミッ
ション動作のための「ミッション動作手段９０３」（第
２のミッション動作手段）、幾何学的な位置関係を記述
するための基準座標系の生成と変換を行なう「キネマテ
ィック座標変換手段９０４」（第２のキネマティック座
標変換手段）。「サーボ制御手段９０５」はアクチュエ
ータの駆動制御を行ない、「エネルギ供給手段９０８」
はマイクロロボットにエネルギを供給する。「コントロ
ールアルゴリズム生成手段９０６」（第２のコントロー
ルアルゴリズム生成手段）は、タスク管理手段９０１、
基本動作手段９０２、ミッション動作手段９０３を統括
して、ロボットを制御するためのデータを生成する。
「軌道計算手段９０７」（第２の軌道計算手段）はミッ
ション動作を遂行するためのマイクロロボットの軌道計
算を行なう。 センサ情報は、位置センサ手段９０９
（図３の音響位置センサ等）、図３には不図示である
が、速度センサ手段９１０、加速度センサ手段９１１か
らの情報がフィードバックされる。センサ手段（９０９
〜９１１）によりセンシングされた状態量は第２のフィ
ードバック量として、前記第２のコントロール手段に回
帰する。

【００７２】サーボ制御手段９０５は、基地コントロー
ラ側で生成された行動計画指令を上位の指令値としてサ
ーボ制御を行なう。

【００７３】＜基地コントローラの構成＞基地コントロ
ーラの構成を図１０に示す。分散の単位を単なる分散化
では情報交換のための通信量が増え収集がつかなくなる
ので、機能毎に分散することで情報の通信量を最小限に
する（図１０）。オペレータからの命令の処理、ロボッ
トコンピュータ５０８との通信管理は「タスク管理手段
１００１」による（第１のタスク管理手段）。オペレー
タとのデータ授受は第１のインターフェース手段１０１
４を介し、マイクロロボットとのデータ授受は第３のイ
ンタフェース手段１０１５を介する。飛翔等マイクロロ
ボットの基本的な動作を制御するための「基本動作手段
１００２」（第１の基本動作手段）、農薬の噴霧等マイ
クロロボットに課するミッションを制御するための「ミ
ッション動作手段１００３」（第１のミッション動作手
段）、基地コンピュータ５０６とマイクロロボット
（１、２、３）の幾何学的な位置関係を記述するための
基準座標系の生成と変換を行なう「キネマティッック座
標変換手段１００４」（第１のキネマティッック座標変
換手段）、複数のマイクロロボット（１、２、３）を独
立かつ協調的に制御するための「協調制御手段１００
５」、所定のコンフィギュレーションの下で力制御を行
なう場合のトルク指令の生成を行なうための「動力学・
逆動力学制御手段１００６」、「コントロールアルゴリ
ズム生成手段１００７」（第１のコントロールアルゴリ
ズム生成手段）は後述する外部情報受信手段（１００９
〜１０１３）による外部情報の経時変化、突発的変化、
気象情報、位置情報などの情報と、オペレータからの目
標値、ロボットコントローラからのフィードバック情報
に従いコントロールデータを生成する。

【００７４】コントロールアルゴリズム生成手段１００
７は前記タスク管理手段１００１、基本動作手段１００
２、ミッション動作手段１００３、キネマティッック座
標変換手段１００４、協調制御手段１００５、動力学・
逆動力学制御手段１００６を統括してマイクロロボット
の制御を行なうためのコントロールアルゴリズムから行
動計画指令値を生成する。ここで生成された行動計画指
令値はタスク管理手段１００１、第３のインタフェース
手段１０１５を介して、マイクロロボットに送信され
る。

【００７５】本発明において、基地コントローラは第１
のコントロール手段として機能する。また、第２のイン
タフェース手段で受信する外部情報受信手段（１００９
〜１０１３）の情報と、第３のインタフェース手段によ
り受信されるマイクロロボットからのフィードバック情
報とは第１の状態フィードバック量として、前記第１の
コントロール手段に回帰する。

【００７６】軌道計算手段１００８はマイクロロボット
の制御のために要する全体作業空間内での軌道を計算す
る。

【００７７】ネットワーク情報受信手段１００９は電話
回線、無線回線、またはネットワーク回線を介した情報
を受信する。衛星情報受信手段１０１０は衛星放送、衛
星通信、気象衛星またはＧＰＳ衛星からの情報を受信す
る。また、位置計測システム情報受信手段１０１１は位
置計測システムからの情報を受信する。さらに、局所気
象観測データ受信手段１０１２は、マイクロロボットの
作業空間近傍の局所的な気温、湿度などのローカル情報
を受信する。また、画像処理情報受信手段１０１３マイ
クロロボットの作業空間近傍に設けた画像処理手段から
の監視情報を受信する。前記情報授受手段（１００９〜
１０１３）の情報は第２のインタフェース手段により受
信される。

【００７８】＜マイクロロボットの局所位置測定＞図２
は局所的位置測定装置の具体例である。同図において、
２０は原点であるローカル基地４の位置、２１は測定さ
れるべきマイクロロボットの位置、２２は水田の一角に
設置された水中音響発振装置１、２３は水田の他の一角
に設置された水中音響発振装置２、２４は水田のもう一
つの角に設置された水中音響発振装置３である。

【００７９】これら３つの発振装置を用いて、位置２１
を測定する手法について一例を説明する。ローカル基地
２０の座標を原点とし、位置をＯ（０，０）、マイクロ
ロボットの位置をＸ（ｘ，ｙ）、発振装置１の位置をＡ
（Ｘａ，Ｙａ）、発振装置２の位置をＢ（Ｘｂ，Ｙ
ｂ）、発振装置３の位置をＣ（Ｘｃ，Ｙｃ）とする。ま
た、発振装置の音響発振周波数をそれぞれｆ１，ｆ２，
ｆ３とする。

【００８０】ローカル基地２０の指示は、有線もしくは
無線方式の同期信号によりそれぞれの発振装置１、２、
３と、マイクロロボット２１に伝わり、同時刻ｔ０に発
振装置１、２、３が、それぞれ異なる周波数で水中音響
を発振する。

【００８１】それぞれの水中音響を等しい音響速度であ
るとし、それをｖとすると、以下の関係が成り立つ。

【００８２】

【数１】

【００８３】（ｘ−Ｘａ）² ＋ （ｙ−Ｙａ）² ＝
（ｖ（ｔａ−ｔ０））²

【００８４】

【数２】

【００８５】（ｘ−Ｘｂ）² ＋ （ｙ−Ｙｂ）² ＝
（ｖ（ｔｂ−ｔ０））²

【００８６】

【数３】

【００８７】（ｘ−Ｘｃ）² ＋ （ｙ−Ｙｃ）² ＝
（ｖ（ｔｃ−ｔ０））² ここで、ｔａ、ｔｂ、ｔｃはそれぞれＡ，Ｂ，Ｃからの
到着時刻を示す。３つの到着時刻はマイクロロボット２
１が測定し、この、３つの連立方程式よりマイクロロボ
ット自身の座標（ｘ，ｙ）をマイクロロボット２１は求
めることができる。

【００８８】なお、発振装置１、２、３を受信装置と
し、マイクロロボット２１を発振装置としてもほぼ同様
な計測ができることは当然である。従って、地上局であ
るローカル基地側でマイクロロボット２１の位置を捕捉
することは可能である。

【００８９】また、空中音波、空中超音波、地震波など
の地表振動、電磁波などを利用しても同様なことを行う
ことができるのも当然である。

【００９０】更に、発振装置の数は３に限るものではな
く、更に増加させることも可能である。この場合、発振
時刻ｔ０が不明でも解を推定することが可能となる。ま
た、測定の死角も減少する。

【００９１】＜実施形態の効果＞ローカル基地４におけ
る基地コンピュータ５０６は、オペレータからの指令値
に基づき、環境条件（温度、湿度、侵入物、など）を取
り込みマイクロロボットの行動計画を生成する。ここで
の行動計画は複数のマイクロロボットが制御対象の場
合、分散かつ協調的な制御則の生成が可能であり、マイ
クロロボット側には自律的な行動決定に必要な状態量が
伝達される。マイクロロボットの制御は機能構成ごとに
分割された処理系で処理されるのでマイクロロボット側
に送られるデータ通信量、タスク実行のためにマイクロ
ロボット側で行われる演算量は最小限のものとなる。こ
のような機能構成に基づくロボット制御の概念は生物体
のアナロジーから得られるものでフォルトトレラントな
マイクロロボットを提供することを可能とする。ある程
度の損傷に対して機能は低下することはあっても、直ち
に生命停止となるような終局的な状態を回避することが
可能となるという２次的な効果も生じる。

【００９２】さらに、マイクロロボットは最終的なタス
ク完了に向けて自律的な判断のもとフィードバック制御
を行い、与えられたミッションを遂行する。地上基地コ
ントローラは複数の外部情報受信手段から環境、外乱条
件データを授受し、種々の情報を統合してオペレータか
ら出されたタスクに対する制御則を生成して、各マイク
ロロボットに指示を伝達する。従って、マイクロロボッ
ト自体は高度な通信能力や処理能力を持つ必要はない。

【００９３】また、マイクロロボットは自己の位置情報
を捕捉するために、位置情報の受信行為のみで、自己の
ローカル基地に対する座標を得ることができる。連立方
程式の解析はローカル基地局で行ない、その結果をマイ
クロロボット側で受信することで、逐次演算を行なうこ
となく自己の位置座標データを得ることが可能となる。

【００９４】

【他の実施形態】また、本発明の目的は、前述した実施
形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコード
を記録した記録媒体を、システムあるいは装置に供給
し、そのシステムあるいは装置のコンピュータ（または
ＣＰＵやＭＰＵ）が記録媒体に格納されたプログラムコ
ードを読出し実行することによっても、達成されること
は言うまでもない。

【００９５】この場合、記録媒体から読出されたプログ
ラムコード自体が前述した実施形態の機能を実現するこ
とになり、そのプログラムコードを記録した記録媒体は
本発明を構成することになる。

【００９６】プログラムコードを供給するための記録媒
体としては、例えば、フロッピディスク，ハードディス
ク，光ディスク，光磁気ディスク，ＣＤ−ＲＯＭ，ＣＤ
−Ｒ，磁気テープ，不揮発性のメモリカード，ＲＯＭな
どを用いることができる。

【００９７】また、コンピュータが読出したプログラム
コードを実行することにより、前述した実施形態の機能
が実現されるだけでなく、そのプログラムコードの指示
に基づき、コンピュータ上で稼働しているＯＳ（オペレ
ーティングシステム）などが実際の処理の一部または全
部を行い、その処理によって前述した実施形態の機能が
実現される場合も含まれることは言うまでもない。

【００９８】さらに、記録媒体から読出されたプログラ
ムコードが、コンピュータに挿入された機能拡張ボード
やコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わる
メモリに書込まれた後、そのプログラムコードの指示に
基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わ
るＣＰＵなどが実際の処理の一部または全部を行い、そ
の処理によって前述した実施形態の機能が実現される場
合も含まれることは言うまでもない。

【００９９】本発明を上記記録媒体に適用する場合、そ
の記録媒体には、先に説明したフローチャートに対応す
るプログラムコードを格納することになるが、簡単に説
明すると、図１１のメモリマップ例に示す各モジュール
を記録媒体に格納することになる。すなわち、少なくと
も「タスク管理モジュール１１１０」「基本動作モジュ
ール１１２０」および「ミッション動作モジュール１１
３０」「キネマティック座標変換モジュール１１４０」
「サーボモジュール１１５０」「アルゴリズム生成モジ
ュール１１６０」「軌道計算モジュール１１７０」「セ
ンサモジュール１１８０」の各モジュールのプログラム
コードを記録媒体に格納すればよい。

【０１００】

【発明の効果】第１のコントロール手段は、オペレータ
からの指令値に基づき、環境条件（温度、湿度、侵入
物、など）を取り込みマイクロロボットの行動計画指令
を生成する。マイクロロボットシステムに種々の外部情
報、センサ情報を制御則に取り込むことで、非定形作業
のために要求される行動計画を生成することが可能とな
る。

【０１０１】ここでの行動計画は複数のマイクロロボッ
トが制御対象の場合、独立に制御が可能である。この行
動計画に基づき、第２のコントロール手段はマイクロロ
ボットに対して駆動指令を出力する。前記駆動指令はマ
イクロロボットの駆動に必要な制御指令であり、マイク
ロロボット側に送られるデータ通信量、タスク実行のた
めにマイクロロボット側で行われる演算量は前記行動計
画に比べて最小限のものとなる。

【０１０２】オペレータからのタスク指示と、環境因子
等の外部情報と、マイクロロボット側でセンシングされ
た状態量とを受信し、質的に異なる情報を統合してオペ
レータからの指示を遂行するための大局的な行動計画を
生成するシステム全体の制御と、マイクロロボット側の
のセンシング手段により自己の状態量をセンシングして
フィードバックする局所的な制御を行なうこと制御処理
の分散化が図れ、演算の効率を高めた処理を可能とし
た。

【０１０３】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる実施形態１を説明する図であ
る。

【図２】マイクロロボットにおける位置情報の捕捉を説
明する図である。

【図３】制御対象の例示であるマイクロロボットを示す
図である。

【図４】従来のマイクロロボットの制御例を示す図であ
る。

【図５】（ａ）は従来のマスタ・スレーブ型制御の構成
を示すブロック図である。（ｂ）は本出願にかかる実施
形態に対応したマイクロロボットの制御構成を示すブロ
ック図である。

【図６】（ａ）従来のロボットにおけるオペレータとロ
ボットの役割分担を示した図である。 （ｂ）本実施形態におけるマイクロロボットで、オペレ
ータとロボットの役割分担を示した図である。

【図７】マイクロロボットのタスク処理に関するフロー
チャートである。

【図８】ロボットが行う分散協調動作を説明する図であ
る。

【図９】マイクロロボットの制御に関する機能構成図で
ある。

【図１０】基地コントローラの機能構成を示す図であ
る。

【図１１】本実施形態における記録媒体のメモリマップ
を示す図である。

【符号の説明】

１〜３ マイクロロボット ４ ローカル基地 ５ 通信衛星 ６ オペレータ宅 ７ 通信回線 ８〜１０ 位置測定装置 １１ 百葉箱 １２ 画像処理装置 １３ 水田 ２０ ローカル基地 ２１ マイクロロボット ２２〜２４ 水中音響発振装置 ３１ 音響センサ ３２ アンテナ ３３ 農作業機能部 ３４ 太陽電池 ３５ 外輪ベルト ３５ 本体部 ４１ 光強度センサ ４２ マイクロロボット ４３ 光源 ４４ 光スポット

Claims (24)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 オペレータからの指示に基づき、ロボッ
   トを制御するためのロボットシステムであって、 前記オペレータからの指示を受信するための第１の受信
   手段と、 外部情報を受信するための第２の受信手段と、 前記ロボットの状態量を受信する第３の受信手段と、 前記第１の受信手段で受信したデータを目標値とし、前
   記第２および第３の受信手段で受信したデータを第１の
   状態フィードバック量として、前記ロボットへの行動計
   画指令を生成するための第１のコントロール手段と、 前記第１のコントロール手段で生成された前記行動計画
   指令に基づき、前記ロボットを駆動するための駆動指令
   を生成する第２のコントロール手段と、 前記ロボットの状態量をセンシングするためのセンシン
   グ手段と、 前記センシング手段でセンシングされた状態量と、前記
   第２のコントロール手段から指示された駆動指令値とを
   比較して前記行動計画指令の達成度を判定する判定手段
   と、 を備え、前記判定の結果に従い前記第１のコントロール
   手段及び第２のコントロール手段の指令値をそれぞれ分
   散してコントロールすることを特徴とするロボットシス
   テム。
2. 【請求項２】 前記第１のコントロール手段は、複数の
   ロボットを独立に複数制御可能とすることを特徴とする
   請求項１記載のロボットシステム。
3. 【請求項３】 前記第２のコントロール手段は、前記第
   １のコントロール手段で生成された行動計画指令を目標
   値とし、前記センシング手段によりセンシングされた状
   態量を第２の状態フィードバック量として、前記ロボッ
   トを駆動制御することを特徴とする請求項１記載のロボ
   ットシステム。
4. 【請求項４】 前記第２の受信手段は、衛星放送、衛星
   通信、気象衛星またはＧＰＳ衛星からの情報を受信可能
   とすることを特徴とする請求項１のロボットシステム。
5. 【請求項５】 前記第２の受信手段は、更に、電話回
   線、無線回線、またはネットワーク回線を介した情報を
   受信可能とすること特徴とする請求項１のロボットシス
   テム。
6. 【請求項６】 前記第２の受信手段は、更に、位置計測
   システムからの情報を受信することを特徴とする請求項
   １のロボットシステム。
7. 【請求項７】 前記第２の受信手段は、更に、前記ロボ
   ットの活動範囲近傍に設けられた気象観測手段からの気
   象情報を受信可能であることを特徴とする請求項１のロ
   ボットシステム。
8. 【請求項８】 前記第２の受信手段は、更に、前記ロボ
   ットの活動範囲近傍に設けた画像処理手段からの監視情
   報を受信可能とすることを特徴とする請求項１のロボッ
   トシステム。
9. 【請求項９】 オペレータからの指示に基づき、ロボッ
   トを制御するためのロボットの制御方法であって、 前記オペレータからの指示を受信するための第１の受信
   工程と、 外部情報を受信するための第２の受信工程と、 前記ロボットの状態量を受信する第３の受信工程と、 前記第１の受信工程で受信したデータを目標値とし、前
   記第２および第３の受信工程で受信したデータを第１の
   状態フィードバック量として、前記ロボットへの行動計
   画指令を生成するための第１のコントロール工程と、 前記第１のコントロール工程で生成された前記行動計画
   指令に基づき、前記ロボットを駆動するための駆動指令
   を生成する第２のコントロール工程と、 前記ロボットの状態量をセンシングするためのセンシン
   グ工程と、 前記センシング工程でセンシングされた状態量と、前記
   第２のコントロール工程から指示された駆動指令値とを
   比較して前記行動計画指令の達成度を判定する判定工程
   と、 を備え、前記判定の結果に従い前記第１のコントロール
   工程及び第２のコントロール工程の指令値をそれぞれ分
   散してコントロールすることを特徴とするロボットの制
   御方法。
10. 【請求項１０】 前記第１のコントロール工程は、複数
    のロボットを独立に複数制御可能とすることを特徴とす
    る請求項１記載のロボットの制御方法。
11. 【請求項１１】 前記第２のコントロール工程は、前記
    第１のコントロール工程で生成された行動計画指令を目
    標値とし、前記センシング工程によりセンシングされた
    状態量を第２の状態フィードバック量として、前記ロボ
    ットを駆動制御することを特徴とする請求項１記載のロ
    ボットの制御方法。
12. 【請求項１２】 前記第２の受信工程は、衛星放送、衛
    星通信、気象衛星またはＧＰＳ衛星からの情報を受信可
    能とすることを特徴とする請求項１のロボットの制御方
    法。
13. 【請求項１３】 前記第２の受信工程は、更に、電話回
    線、無線回線、またはネットワーク回線を介した情報を
    受信可能とすること特徴とする請求項１のロボットの制
    御方法。
14. 【請求項１４】 前記第２の受信工程は、更に、位置計
    測の制御方法からの情報を受信することを特徴とする請
    求項１のロボットの制御方法。
15. 【請求項１５】 前記第２の受信工程は、更に、前記ロ
    ボットの活動範囲近傍に設けられた気象観測工程からの
    気象情報を受信可能であることを特徴とする請求項１の
    ロボットの制御方法。
16. 【請求項１６】 前記第２の受信工程は、更に、前記ロ
    ボットの活動範囲近傍に設けた画像処理工程からの監視
    情報を受信可能とすることを特徴とする請求項１のロボ
    ットの制御方法。
17. 【請求項１７】 オペレータからの指示を受信するため
    の第１の受信手段と、 外部情報を受信するための第２の受信手段と、 ロボットの状態量を受信する第３の受信手段と、 前記第１の受信手段で受信したデータを目標値とし、前
    記第２および第３の受信手段で受信したデータを第１の
    状態フィードバック量として、前記ロボットへの行動計
    画指令を生成するための第１のコントロール手段と、 前記第１のコントロール手段で生成された前記行動計画
    指令に基づき、前記ロボットを駆動するための駆動指令
    を生成する第２のコントロール手段と、 前記ロボットの状態量をセンシングするためのセンシン
    グ手段と、 前記センシング手段でセンシングされた状態量と、前記
    第２のコントロール手段から指示された駆動指令値とを
    比較して前記行動計画指令の達成度を判定する判定手段
    と、 を備え、前記判定の結果に従い前記第１のコントロール
    手段及び第２のコントロール手段の指令値をそれぞれ分
    散してコントロールすることをコンピュータに機能させ
    るためのプログラムを記録したコンピュータ読取り可能
    な記録媒体。
18. 【請求項１８】前記第１のコントロール手段は、 前記オペレータからの指示を受信するための第１の受信
    手段と、 外部情報を受信するための第２の受信手段と、 前記ロボットの状態量を受信する第３の受信手段と、 前記第１の受信手段で受信したデータを目標値とし、前
    記第２および第３の受信手段で受信したデータを第１の
    状態フィードバック量として、前記ロボットへの指令を
    生成する第１のコントロールアルゴリズム生成手段と、 前記生成された指令に基づき基本動作の実行を司る第１
    の基本動作手段と、 前記オペレータからの指示の遂行動作を司る第１のミッ
    ション動作手段と、 前記ロボットの基本動作及びミッション動作をサーボ制
    御するための動力学制御手段と、 前記オペレータからの命令の遂行を管理する第１のタス
    ク管理手段と、 を備えることを特徴とする請求項１記載のロボットシス
    テム。
19. 【請求項１９】前記第１のコントロール手段は、更に幾
    何学的な座標変換に基づき前記ロボットの位置情報を算
    出可能とする第１のキネマティック座標変換手段を備え
    ることを特徴とする請求項１または１８記載のロボット
    システム。
20. 【請求項２０】前記第１のコントロール手段は、更に、
    前記ロボットが特定の軌道上で前記命令遂行動作を実行
    する場合は、前記特定の軌道を計算するための第１の軌
    道計算手段を備えることを特徴とする請求項１または１
    ８記載のロボットシステム。
21. 【請求項２１】前記第１のコントロール手段は、制御対
    象であるロボットが複数の場合、相互に協調的な動作を
    可能とする協調制御手段を備えることを特徴とする請求
    項１または１８記載のロボットシステム。
22. 【請求項２２】前記第２のコントロール手段は、 前記第１のコントロール手段との間で相互にデータ授受
    を行うインタフェース手段と、 前記第１のコントロール手段からの命令の遂行を管理す
    る第２のタスク管理手段と、 前記タスク管理手段からの情報に基づき、前記命令を遂
    行するための制御データを生成する第２のコントロール
    アルゴリズム生成手段と、 前記生成された制御則に基づき基本動作を行う第２の基
    本動作手段と、 前記命令遂行動作を行う第２のミッション動作手段と、 前記基本動作及びミッション動作をサーボ制御するため
    のサーボ制御手段と、 を備えることを特徴とする請求項１記載のロボットシス
    テム。
23. 【請求項２３】前記第２のコントロール手段は、更に幾
    何学的な座標変換に基づき自己の位置情報を算出可能と
    する第２のキネマティック座標変換手段を備えることを
    特徴とする請求項１または２２記載のロボットシステ
    ム。
24. 【請求項２４】前記第２のコントロール手段は、更に、
    特定の軌道上で前記命令遂行動作を実行する場合は、前
    記特定の軌道を計算するための第２の軌道計算手段を備
    えることを特徴とする請求項１または２２記載のロボッ
    トシステム。